|
В 1937 году американский физик болгарского происхождения профессор федерального колледжа Айовы Джон Ф. Атанасов сформулировал, а в 1939 году опубликовал окончательный вариант своей концепции современной вычислительной машины:
1. В своей работе компьютер будет использовать электричество и достижения электроники.
2. Вопреки традиции его работа будет основана на двоичной, а не на десятичной системе счисления.
3. Основой запоминающего устройства послужат конденсаторы, содержимое которых будет периодически обновляться во избежание ошибок.
4. Расчет будет проводиться с помощью логических, а не математических действий.
В 1939 году Атанасов вместе со своим ассистентом Клиффордом Э.Берри построил и испытал первую вычислительную машину, предназначенную для решения больших систем линейных уравнений. Они решили назвать ее АВС (Atanasoff Berry Computer)
Общий вид компьютера Атонасова- Берри
![]()  ABC- блок компьютера Атанасова и Бэрри и панель
с установленными на ней электронными лампами.
В компьютере АВС были раздельно выполнены блоки арифметического устройства оперативного запоминающего устройства. Арифметическое устройство было выполнено на радиолампах, а оперативное запоминающее устройство на вращающемся барабане с конденсаторами. Использовалась двоичная система счисления. Перевод из десятичного представления в двоичное и обратно осуществлялся схемным путем.
Расположение основных блоков компьютера
Атанасова - Бэрри
Внешняя память была выполнена на типовом оборудовании для ввода и вывода перфокарт, и это был самый ненадежный блок компьютера. Из-за вступления США в войну и перехода Дж.Атонасова на исследовательскую работу военного значения осталась незавершенной работа над системой ввода/вывода.
Клиффорд Бэрри за работой
В 1943г. в научно-исследовательской лаборатории Почтового департамента Англии был создан программируемый электронный компьютер "Colossus". Проект был засекречен. Секретность была необходима потому, что проектировалось устройство для дешифровки кодов, которыми пользовались вооруженные силы Германии в период Второй Мировой Войны. Математический метод дешифровки был разработан группой математиков, в число которых входил Алан Тьюринг. За 10 месяцев в 1943
году в Лондоне была построена машина Colossus . Разработчики машины - М.Ньюмен и Т.Ф.Флауэрс.
Кодирующий компьютер ENIGMA,созданный в Германии
и генерировавший постоянно меняющийся код.
В то время секретные сообщения немецких военных были зашифрованы кодом ENIGMA, который хорошо знали английские шифровальщики, но для совершенно секретных сообщений немцы использовали другой шифр (шифровальную машину Лоренца), который англичане смогли разгадать только с помощью Colossus. Компьютер не оказал большого влияния на развитие вычислительной техники, т.к. он не был универсальным, кроме того, компьютер был долгие годы засекречен и использовался только военным департаментом вплоть до 1970 года.
Компьютер состоял из 1800 электронных ламп и был одним из первых программируемых электронных цифровых компьютеров.
Первый программируемый (но не универсальный)
электронный компьютер Colossus
![]()
"Collossus" был предназначен для
декодирования немецких телеграфных шифровок.
Универсальный электронно-цифровой компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) был создан в 1945 году. Разработка его велась во время войны и требования диктовали чисто военные проблемы, проект финансировался министерством обороны США. Разрабатывали проект Джон В. Моучли и Дж. Преспер Эккерт в Баллистической исследовательской лаборатории армии США. Источником вдохновения для Мочли послужило устройство, созданное профессором федерального колледжа Айовы Джоном Ф.
Антанасовым для решения больших систем линейных уравнений. На основе предоставленного Атанасовым полного описания АВС Джон Моучли и Дж. Проспер Эккерт - построили в 1946 году (в этом году проект был рассекречен) машину, которую принято считать первым в мире универсальным компьютером. То, что ABC является первым в мире универсальным компьютером Атанасову удалось доказать. В 1973 году в США федеральный окружной суд Миннеаполиса объявил недействительным патент Моучли и Эккерта на автоматическую
электронную цифровую вычислительную машину, мотивируя тем, что основная концепция была позаимствована из проекта Атанасова. Моучли утверждал, что он не воспользовался предоставленной ему Атансовым информацией в патенте на ENIAC, но суд не согласился с этим. Однако мир уже привык считать первым электронным компьютером компьютер ENIAC, разработанный Джоном В. Моучли и Дж. Преспером Эккертом.)
Левая сторона машины ENIAC, при входе надпись: "Вход воспрещен всем, кроме проектирующего ENIAC персонала"
ENIAC стал первым полнофу
циональным компьютером. В 1946 году состоялась публичная демонстрация работы компьютера. Компьютер был десятизначным, включал 12 десятизначных сумматоров с регистрами для хранения результатов. Для ускорения выполнения арифметических операций у ENIAC имелись умножитель, делитель, извлекатель корня.
Президент Труман перед компьютером ENIAC
Компьютер содержал 17468 электронных ламп, 7200 кристаллических диодов, 4100 магнитных элементов. Потребляемая мощность составляла 174 кВт. Занимаемое пространство составляло около 300 кв.м. Время сложения составляло 200 мкс., умножения - 2800 мкс. и деления - 24000 мкс.
Правая сторона компьютера
Арифметическое устройство и оперативная память состояли из кольцевых электронных счетчиков. Каждый разряд числа отображался одним кольцом. Схемы колец вырабатывали сигнал переноса при переходе с 9 на 0 и соединялись между собой, образуя 10-ти разрядные регистры.
![]()
Инженер, меняющий неисправную электронную лампу
Применение электронных ламп вместо реле обусловило качественный скачок в быстродействии. В компьютере использовалось три типа электронных схем:
- Схемы совпадения, сигнал на выходе которых появлялся только в том случае, если поступили сигналы на все входы.
- Собирательные схемы, сигнал на выходе появляется, если есть сигнал хотя бы на одном входе.
- Триггеры, выполненные на двойных триодах (две трехэлектродные электронные лампы монтировались в одном баллоне)
Машина работала в десятичной системе счисления. Триггерные ячейки использовались во всех блоках арифметического устройства. Для сложения, вычитания, запоминания информации использовалось 20 сумматоров, представляющих собой декадные кольцевые счетчики по десять триггерных колец в каждом, плюс два триггера для хранения знака числа. В каждом из декадных счетчиков применялось около 600 электронных ламп, в том числе 204 диода для запоминания десяти десятичных разряда числа и знака, остальные лампы
предназначались для формирования сигналов, вывода результата и т.д. Каждый триггер был соединен с неоновой индикаторной лампой. Операции сложения и вычитания проводились путем передачи в счетчик числа или его десятичного дополнения из другог блока машины. Передача чисел производилась по группе из одиннадцати проводников, по одному на каждый десятичный разряд и один проводник для передачи знака числа. Число импульсов в каждом проводнике соответствовало значению передаваемой цифры.
Для перемножения десятиразрядных чисел в множительном устройстве использовалось до шести декадных счетчиков.
С появлением компьютера ENIAC скорость выполнения операций значительно возросла, но программа вводилась путем установки переключателей и коммутации разъемов. Такой способ ввода программы требовал разработки сложных схем управления для арифметических устройств.
![]()
Программа задается при помощи перемычек,
соединяющих блоки компьютера в определенном порядке.
Различные блоки соединялись проводами в определенной последовательности, это и задавало последовательность вычислений. При программировании возникало много ошибок и ввод программы требовал значительных затрат времени. Для решения каждой новой задачи требовалась новая схема соединений. В зависимости от сложности задачи этот процесс занимал от 30 минут до 8 часов.
Общий вид компьютера ENIAC
Для запоминания информации использовались статические триггеры на ламповых триодах, т.е. была сделана попытка построить все внутренние устройства на элементах одного типа. Это было приемлемо лишь на первых порах. Достаточно емкое запоминающее устройство потребовало бы огромного количества электронных ламп. Поэтому емкость памяти была мала и составляла всего 20 чисел.
Панель управления ENIAC
Программа работы компьютера оставалась жесткой, только вводилась, для достижения большего быстродействия не с перфокарт или перфолент, а со специальных коммутационных досок при помощи переключателей и штеккеров.
![]()
Женщины вводят программу в компьютер
установкой перемычек
ENIAC можно считать скорее техническим решением, чем логическим или архитектурным на пути создания электронных вычислительных систем. Конструкция компьютера во многом повторяла конструкцию электромеханических устройств.
Роль ENIAC в развитии вычислительной техники определяется прежде всего тем, что это была первая действующая машина, в которой для выполнения арифметических и логических операций, а так же для запоминания информации использовались электронные схемы.
Несмотря на недостатки в конструкции машины, применение электронных ламп позволило достичь скоростей, о которых нельзя было и мечтать при использовании электромеханических и механических элементов.
Консультантом проекта ENIAC был известный математик Джон фон Нейман.
1946 году Нейман на основе критического анализа конструкции ENIAC предложил ряд новых идей организации ЭВМ, в том числе концепцию хранимой программы, он предложил записывать и хранить в памяти алгоритм вычислений вместе с данными. Принципы Дж.фон Неймана показались вначале простыми и очевидными и лишь в дальнейшем они приобрели статус фундаментальных положений, надолго определивших направление развития вычислительной техники. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура
ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени. Принцип "хранимой программы" был использован при проектировании нового компьютера, получившего название EDVAC в Муровской электротехнической школе в Пенсильвании. Работа шла медленно и компьютер EDVAC Пенсильванского университета был пущен в эксплуатацию только в 1952 году. В компьютере применялась двоичная арифметика, память была создана на ультразвуковых ртутных линиях задержки, емкость памяти составляла 1024 44-х разрядных слова.
Операции выполнялись поразрядно, начиная с младшего разряда числа.
Компьютер EDVAC
В отчете "Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства" Дж. фон Нейман опубликовал основные принципы, которые заключались в следующем:
1. Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
2. Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов - команд. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера - в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и скоростью выборки команд.
3. Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;
б) числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированны команды программы;
в) появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.
4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.
5. Арифметическое устройство конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения - создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.
6. Необходимо использовать параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова)
Принцип использования двоичной системы счисления расширил набор физических приборов и явлений, которые можно использовать для представления информации в операционных и запоминающих устройствах компьютера. Две цифры для отображения "1" и "0" могут отображаться состоянием любой двухстабильной системы. Например, открытое и закрытое состояние электронного ключа (ламповой схемы), два состояния триггера, намагниченным или ненамагниченным состоянием ферромагнитной поверхности. Ну, а в
настоящее время набор электронных приборов и физических явлений, позволяющих получить два состояния для записи и обработки информации стал намного шире, но об этом поговорим позже. В двоичной системе счисления возможно построение логических схем и реализация фу
ций алгебры логики или Булевой алгебры.
Принцип хранимой в памяти программы, представленной в двоичном коде, позволяет производить не только вычисления, направляя команду в устройство управления, а данные в арифметическое устройство, но и преобразовывать сами команды, например в зависимости от результатов вычислений, используя для преобразования коды команд и оперируя с ними, как с данными.
Принцип реализации условных переходов позволяет осуществлять программы с циклическими вычислениями с автоматическим выходом из цикла. Благодаря принципу условного перехода сокращается число команд, в программе, так как не требуется повторять одинаковые участки программы.
Принцип иерархической организации памяти был сформулирован в связи с тем, что с самого первого компьютера с сохраняемой программой существовало несоответствие между быстродействием арифметического устройства и оперативной памяти. Противоречия бы не существовало, если выполнить память на тех же элементах, что и арифметическое устройство, но такая память получалась слишком дорогой, кроме того, непомерно увеличивалось количество радиоламп, что заметно снижало надежность компьютера.
Иерархическое построение оперативного запоминающего устройства позволяет иметь быстродействующую память небольшого объема только для данных и команд, подготовленных к выполнению. Все остальное хранится в запоминающем устройстве более низкого уровня, для этого стали использоваться появившиеся вскоре магнитные носители информации.
Параллельный принцип организации вычислений позволяет значительно увеличить скорость вычислений, хотя это и приводит к более значительным затратам оборудования.
Группа Морриса Уилкса Кембриджского университета Англии опередила конструкторов EDVAC Пенсильванского университета США и создала первый электронно-цифровой компьютер с сохраняемой программой EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Computer), первый компьютер нового типа. В названии компьютера отражен тот факт, что в компьютере использовались ртутные линии задержки.
Компьютер EDSAC в процессе сборки
В 1949 году на первом электронно-цифровом компьютере с сохраняемой программой EDSAC была успешно выполнена первая программа.
Электронно-цифровой компьютер EDSAC
В компьютере EDSAC для согласования работы отдельных блоков использовалась синхронизация
Учитывая неэкономичность и громоздкость запоминающего устройства в машине ENIAC, еще в 1944 году конструктор машины ENIAC Дж. Эккерт предложил новый тип запоминающего устройства - память на ультразвуковых ртутных линиях задержки. Ртутные линии задержки в те годы широко применялись в радиолокации. Впервые память на ультразвуковых ртутных линиях задержки была применена в компьютере EDSAC. Для поддержания постоянной температуры запоминающее устройство помещалось в термостат. Такая память стала
использоваться в первых компьютерах с хранимой в памяти программой. Это наложило отпечаток и на конструкцию и на вычислительные возможности компьютера. Запоминающее устройство состояло из 32 ртутных трубок, по 576 двоичных разрядов в каждой трубке. Частота синхроимпульсов составляла 526 кГц. Среднее время выборки одного слова равнялось 550 мксек. Слово выбиралось последовательно,начиная с младших разрядов, разряд за разрядом, поэтому не было необходимости вводить параллельную обработку всего
слова. Быстродействие всей системы определяла скорость выборки слов. Этим обьясняется то, что в компьютере применялось арифметическое устройство последовательного типа. Оно состояло из одноразрядного сумматора и регистров для хранения операндов и результата на ртутных линиях задержки. Машины такого класса не могли выполнять больше 1-2 тысяч операций в секунду. Все операции в машине выполнялись в двоичной системе счисления. Числа записывались в формате с плавающей точкой. Система команд
включала 19 операций. Команды имели одноадресную структуру. Для ввода команд и данных использовалась 5-ти канальная перфолента. Ввод данных с перфоленты производился с помощью фотоэлектрического устройства. Всего в машине было использовано 24500 электронных ламп. Результаты выводились на телеграфный аппарат. В процессе эксплуатации компьютера EDSAC был освоен метод использования библиотечных подпрограмм, разработанный М.Уилксом, Д.Уиллером и С.Гиллом. Опыт использования программного
обеспечения в компьютере EDSAC был описан М.Уилксом, Д.Уиллером, С.Гиллом в книге "Составление программ для электронных счетных машин". Кроме того, в этом компьютере впервые стала применяться программа-транслятор (assembler), что позволяло перейти от программирования в машинных кодах к программированию на специальных языках программирования.
В это время группа Фредди Вильямса приступала к проектированию более мощных компьютеров Манчестер Mark1 и Ferranti Маrk1 (1948-51годы) на электронных запоминающих устройствах и с хранимой в памяти программой. Все предществующие разработки проводились для создания наиболее совершенного проекта компьютера Ferranti.
Проект Манчестер Mark1, возглавляемый Томом Килбурном, был закончен к ноябрю 1948, и машина была полностью введена в эксплуатацию в октябре 1949 года, тем временем детальный проект был уже передан для сборки фирме Ferranti.
![]()
Программируемый компьютер Марк-I в процессе разработки
(1946-1949гг.)
Рабочая группа у компьютера
![]()
На передней стойке блок питания компьютера
Элементная база компьютера
В начале 1951 года опытный образец Манчестер Маrk 1 был заменен компьютером Ferranti Mark1, предназначенным для нужд университета и внешних пользователей.
Мощность Ferranti Mark1 превышала потребности не только отдела, но даже университета и поэтому выделялось время для решения задач правительственным учреждениям, другим университетам, ассоциации научных исследований, индустриальным фирмам. В среднем компьютер работал 100 часов в неделю.
Первые компьютеры использовались для расчетов в ядерной физике, для проектирования и запуска ракет, поэтому сведения о новых разработках были закрыты и разработка вычислительных машин в нашей стране проводилась самостоятельно, с незначительным влиянием Запада до начала 60-х годов, когда компьютеры стали массовой продукцией, рекламируемой фирмами производителями. В 1950 году в Советском Союзе была создана первая отечественная электронная цифровая машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная машина),
разработанная институтом электротехники АН УССР под руководством академика С.А.Лебедева.
Малая электронная счетная машина - была первой отечественной универсальной ламповой ЭВМ в СССР (название "компьютер" не было принято в те времена). Начало разработки - 1948 г, 1950г. - официальный ввод в эксплуатацию. В 1952-1953 гг. МЭСМ была самой быстродействующей и практически единственной регулярно эксплуатируемой ЭВМ в Европе.
![]()
Общий вид машины МЭСМ
Принципы построения МЭСМ были разработаны С.А. Лебедевым независимо от аналогичных работ на Западе. Работа по созданию машины носила научно-исследовательский характер и имела целью экспериментальную проверку общих принципов построения универсальных ЦВМ (цифровых вычислительных машин).
 Малая электронная счетная машина - МЭСМ,
выполненная в виде макета.
Быстродействие ЭВМ составляло 50 операций в 1 секунду; емкость оперативного ЗУ - 31 число и 63 команды; представление чисел - 16 двоичных разрядов с фиксированной перед старшим разрядом запятой; команды трехадресные, длиной 20 двоичных разрядов (из них 4 разряда - код операции); рабочая частота - 5 килогерц; машина имела также постоянное (штеккерное) запоминающее устройство на 31 число и 63 команды; была предусмотрена также возможность подключения дополнительного запоминающего устройства на магнитном
барабане, емкостью в 5000 слов. Оперативное запоминающее устройство было построено на триггерных регистрах. Арифметическое устройство параллельного действия, чем в основном, и объясняются сравнительно большие аппаратурные затраты (только в ОЗУ было использовано 2500 триодов и 1500 диодов). Потребляемая мощность составляла 15 кВт, машина размещалась на площади 60 кв.м.
Использование электронных схем в производстве вычислительных устройств привело к качественному скачку, позволившему на несколько порядков повысить производительность автоматических вычислений. Применение быстродействующих элементов потребовало произвести изменения и в структуре вычислительных устройств. Производительность первого электронного компьютера ENIAC примерно на два порядка превышала производительность программно управляемых релейных устройств, таких как МАРК-II и Белл-5.
Однако возможности электронных схем не были использованы в первом электронном компьютере полностью. Его структура копировала электромеханические структуры, а штеккерное программирование делало неэффективным процесс ввода программы.
Первые электронные компьютеры с хранимой программой, такие как EDSAC, позволили повысить производительность электронных компьютеров еще приблизительно на два порядка, хотя это были компьютеры последовательного действия. Операции выполнялись последовательно разряд за разрядом. Эта организация была связана со спецификой работы запоминающих устройств на ртутных линиях задержки.
В Советском Союзе была создана первая регулярно эксплуатируемая в Европе электронная вычислительная машина МЭСМ. И, хотя производительность машины не была высока, на ней, как на макете исследовались основные принципы построения вычислительных устройств параллельного типа, использованные при создании большой электронной счетной машины -БЭСМ.
История развития компьютеров напоминает развитие живых организмов: от простого к сложному и вновь к простому на новом витке развития.
Первые электронные компьютеры выполняли операции над машинными словами последовательно разряд за разрядом, что было связано с устройством памяти на ртутных линиях задержки. Создание запоминающих устройств на электронно-лучевых трубках привело к созданию арифметических устройств параллельного действия, в которых операция осуществляется одновременно над всеми разрядами слова.
Совмещение во времени операций над данными и операций ввода/вывода привело к более эффективному использованию оборудования. Дальнейшее развитие параллельной обработки информации привело к мультипрограммной работе компьютера, который выполняет параллельно несколько программ. При этом процессор не простаивает, когда одна из программ работает, например, с устройством ввода или вывода, процессор выполняет участок кода другой программы. Дальнейшим развитием мультипрограммирования стало
коллективное использование дорогостоящих универсальных компьютеров несколькими пользователями, каждый из пользователей работал за терминалом, связанным с компьютером. Работа велась в режиме разделения времени. На новом витке развития создание локальных и глобальных вычислительных компьютерных сетей позволило производить обмен громадными потоками информации, а также производить обьединение вычислительных мощностей компьютеров для наращивания вычислительной мощности системы. История
развития вычислительной техники показывает, что основным критерием ее развития является расширение круга практически решаемых задач и наращивание вычислительной мощности. К качественному скачку в развитии вычислительной техники приводило каждое изменение в технологии производства электронных схем, параллельно происходило развитие структуры и фу
циональных возможностей вычислительных систем.
По этим принципам можно выделить четыре этапа развития вычислительной техники, четыре поколения компьютеров.
Путь к пятому поколению должен проложить переход на новую элементную базу, однако возможности современной электронной базы еще далеко не исчерпаны.
Источники информации:
1.И.А.Апокин, Л.Е.Майстров. Развитие вычислительных
машин.- М., Наука, 1974.- 399с.
2.http://www.scl.ameslab.gov/abc/abc.html
3.John W. Mauchly and the Development of the ENIAC
Computer. http://www/library.upenn.edu/spesial
4.http:// web.soi.city.ac.uk/archive
5.http:// www.dcs.warwick.ac.uk/~edsac
6.http:// www.computer50.org/mark1
7.http:// www.club66mhz.vl.ru
8.http://www.bashedu.ru/konkurs/tarhov/russian
9.http://www.computer_museum.ru/History_CCCP
10.http://www.computerhistory.org/timeline
История вычислительной техники от 1945 до 1990гг.
11.Timeline of Computer History http://
www.computerhistory.org/timeline/topics/computers.page
12.Поколения компьютеров.
Сравнение разных поколений компьютеров.
http://pokolenia.ok.ru/Explorer/hystory.htm
http://pokolenia.ok.ru/Explorer/sravnen.htm
13.Физико-математическая общеобразовательная школа-
лаборатория №444 http://schools.techno.ru/sch444/webr
14.Сhronology of Digital Computing Machines (to 1952)
http://kbs.cs.tu-berlin.de/~jutta/time/msb
- chronology-of-dcm.html
15.Mark Brader. A Chronology of Digital Computing
http://www.davros.org/misc/chronology.html
16.The Abwehr Enigma
http://members.aol.com/nbrass/abwehr.htm
17.Codebreaking and Secret Weapons in World War II
http://hometown.aol.com/nbrass/1enigma.htm
18.Manchester Baby Computer
http://www.computer50.org/mark1/new.baby.html
|
